Во вторник, 2 октября, Шведская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике «за новаторские изобретения в области лазеров». Половину премии получит 96-летний американский физик Артур Эшкин (Arthur Ashkin), придумавший технологию оптического пинцета, другую половину поделят между собой Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland), разработавшие метод генерации фемтосекундных петаваттных лазерных импульсов.

Как лазер стал пинцетом

Чтобы управлять мелкими предметами — например, выщипывать брови или отделять зерна сорняков от гречневой крупы, — удобно использовать пинцет, способный механически захватывать и удерживать представляющие интерес объекты. К сожалению, перемещать обычным пинцетом объекты микронных размеров — живые клетки, белки и молекулы — нельзя: любая попытка захватить такой объект приведёт к его разрушению, и дальнейшие манипуляции потеряют смысл. С целью преодолеть это препятствие американский физик Артур Эшкин разработал оптический пинцет — устройство, которое с помощью лазерного пучка перемещает микроскопические объекты, сохраняя их внутреннюю структуру.

Вообще говоря, работа оптического пинцета зависит от размера перемещаемого объекта. Для начала рассмотрим ситуацию, когда размеры объекта превышают длину волны лазерного излучения — d > λ. Это условие позволяет использовать приближение геометрической оптики, чтобы рассчитать траектории лучей, отраженных и преломлённых частицей. Для простоты можно приблизить частицу идеальной сферой (рассеяние Ми).

Кроме того, заметим, что электромагнитная волна, рассеянная на частице, передает ей некоторый импульс — а следовательно, создает эффективную силу, которая толкает частицу вдоль градиента квадрата электрического поля, то есть в сторону увеличения интенсивности света (поэтому силу называют градиентной). В результате частица будет «прижиматься» к оси луча, около которой интенсивность лазера максимальна. Если же направить на частицу два лазера, распространяющихся в противоположных направлениях, или сфокусировать лазер с помощью системы линз, то можно «зажать» её в трёх измерениях и заставить перемещаться вслед за точкой фокусировки.

Чтобы понять, как возникает градиентная сила, представьте себе плоскую мишень площадью S, которая обстреливается пульками массой m и скорости v, причём концентрация пулек (число пулек в одном кубическом метре) равна n. Когда пулька упруго отражается от мишени, она передаёт ей импульс p = 2mv. За время Δt о мишень ударится N = nSvΔt пулек, которые передадут ей импульс ΔP = pN = 2Snmv2Δt. Используя второй закон Ньютона, находим, что на мишень действует сила F = ΔP/Δt = 2Snmv22. В случае оптического пинцета мишенью служит микрочастица, а пульками — фотоны электромагнитной волны. Из-за сложной формы частицы эффективная сила рассчитывается более сложным образом, однако ее природа остается прежней.

Если же диаметр микрочастицы оказывается меньше длины волны лазера (d < λ), то работу оптического пинцета можно объяснить с помощью приближения электрического диполя. Когда такая частица попадёт в электрическое поле лазерного пучка, её заряд перераспределяется по объёму, и в ней наводится электрический дипольный момент. С другой стороны, энергия диполя, помещённого в электрическое поле, зависит от его ориентации. Следовательно, в попытке уменьшить эту энергию микрочастица будет поворачиваться и «ползти» вдоль градиента поля. Получается, будто на частицу со стороны лазера действует эффективная градиентная сила. В остальном этот случай совпадает со случаем d > λ. Более подробно про принципы, на которых основан оптический пинцет, можно прочитать в статьеОПТИЧЕСКИЙ ПИНЦЕТ доктора технических наук А. Голубева.

Схема работы оптического пинцета / Wikimedia Commons

Впервые градиентные силы были экспериментально открытыAcceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure Артуром Эшкином в 1970 году. После этого физику понадобилось ещё 16 лет, чтобы отточить технологию и создатьObservation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles первый полноценный оптический пинцет, способный захватывать и перемещать микроскопические частицы. В основном учёному мешали тепловые колебания атомов, которые он пытался захватить, и низкая мощность лазеров, доступных на тот момент. Ещё через год Эшкин, захватив с помощью оптического пинцета вирус табачной мозаики и бактерию Escherichia coli, показалOptical trapping and manipulation of viruses and bacteria , что его технологию можно использовать для изучения биологических объектов. Более того, уменьшая длину волны лазерного пучка, учёный добился того, чтобы бактерии сохраняли жизнеспособность и продолжали размножаться, будучи пойманными в оптическую ловушку.

Разработка Эшкина сыграла важную роль в исследовании многих биологических процессов, в частности молекулярных машин, за исследование которых Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга в 2016 году получили Нобелевскую премию по химии. В том числе с помощью оптических пинцетов учёные увидели, как молекула кинезина «шагает» по поверхности образца, и измерилиHigh-Resolution Optical Tweezers for Single-Molecule Manipulation силу, с которой она способна тянуть объекты. Для этого исследователи прикрепляли конец молекулы к микроскопической сфере, подвешенной в оптической ловушке, и измеряли, как далеко молекула может «оттянуть» сферу от равновесного положения. Кроме того, с помощью оптических пинцетов биофизики научились собиратьSculpting and fusing biomimetic vesicle networks using optical tweezers искусственные клетки в упорядоченные структуры и измерилиSingle-molecule studies of high-mobility group B architectural DNA bending proteins вязкоупругие свойства биополимеров.

Измерение силы тяги «молекулярной машины» с помощью оптического пинцета / Nobel Prize

Сотрудник лаборатории 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ Дмитрий Чубич так прокомментировал разработку Артура Эшкина: «Оптические пинцеты активно используется в биологии — для этого нужно подобрать длину волны лазера так, чтобы частица его не поглощала, то есть не нагревалась. В этом случае вы можете перемещать, например, живую клетку или органеллы в клетке в произвольном направлении, причём клетка не разрушается, остаётся целой и жизнеспособной. Более того, её можно разместить там, где вам нужно, с точностью до нескольких сотен нанометров — в зависимости от длины волны лазера».

Заведующий отделом лазерной плазмы Объединённого института высоких температур (ОИВТ) РАН Михаил Агранат рассказал об одном из таких проектов. По его словам, его сотрудники совместно с коллегами из МГУ разработали комбинированную установку, объединяющую в себе лазерный скальпель и пинцет. С помощью этой установки учёные смогли разрезать оболочку зародыша на ранних стадиях деления и извлечь с помощью пинцета полярное тельце, изучение которого позволяет судить о состоянии эмбриона, в частности, о генетических отклонениях. Кроме того, световые инструменты позволяют экспериментировать с клеточными сфероидами.

Разумеется, оптические пинцеты применяются не только в биофизике, но и в других областях науки. Например, с их помощью можно управлять отдельными атомами — в марте этого года австралийские физики измерилиA single-atom 3D sub-attonewton force sensor с точностью до сотых долей аттоньютона силу, действующую на отдельный атом, а в апреле американские исследователи впервые провелиBuilding one molecule from a reservoir of two atoms химическую реакцию между отдельными атомами щелочных металлов. Более того, разработка Эшкина имеет и прикладные применения — например, в январе этого года американские инженеры получилиA photophoretic-trap volumetric display с помощью оптического пинцета цветное трёхмерное изображение, напоминающее голограммы из научно-фантастических фильмов.

Интересно, что Стивен Чу (Steven Chu) — один из соавторов работы 1986 года, в которой впервые были описаны оптические пинцеты — получилSteven Chu. Facts Нобелевскую премию по физике ещё в 1997 году. В отличие от Эшкина, сосредоточившегося на применении оптических пинцетов в биофизике, Чу адаптировал эту технологию для охлаждения нейтральных атомов до сверхнизких температур, что в конечном счёте позволило физикам получить на практике конденсаты Бозе — Эйнштейна. В ряде интервью Чу отмечалNobel Research in Physics вклад Эшкина в разработку технологии; теперь этот вклад признан официально. Кроме того, стоит отметить, что 2 сентября Артуру Эшкину исполнилось 96 лет — это делает его самым старым лауреатом Нобелевской премии в истории.

Сжатый и усиленный свет

Разработка других лауреатов — Жерара Муру и Донны Стрикленд также связана с лазерными пучками и также позволяет исследовать процессы на уровне элементарных частиц.

Первые лазеры — оптические квантовые генераторы, которые позволяют получать когерентные, монохроматические, поляризованные и узконаправленные импульсы электромагнитного излучения — были построены в начале 1960-х годов. С помощью таких импульсов очень удобно исследовать внутреннюю структуру веществ и наблюдать за происходящими в них процессами — например, «увидеть», как разбегаются электроны по диэлектрику. Для этого нужно посветить лазером на вещество и измерить его реакцию. Чем больше мощность лазерной вспышки, тем сильнее вещество «откликается» на её воздействие. С другой стороны, чем дольше вспышка длится во времени, тем сложнее отделить «отклик» образца на первоначальное воздействие. Поэтому на протяжении всей истории изучения лазеров физики старались увеличить мощность лазерного импульса и уменьшить его продолжительность. Для этого физики использовали всё более и более мощные усилители, которые заставляли лазер генерировать больше фотонов.

В середине 1980-х годов исследователи научились получать настолько мощные и короткие лазерные импульсы, что вещество усилителя не выдерживало и установка разрушалась. Казалось, физика зашла в тупик. К счастью, Жерар Муру и Донна Стрикленд практически сразу решили эту проблему, разработав в 1985 году технику чирпированного усиления импульсов (Chirped pulse amplification, CPA). По сути своей эта техника довольно проста.

На первом шаге учёные увеличивают ширину спектра лазерного импульса — «растягивают его во времени» — с помощью дисперсионной оптической системы (пары призм). Затем импульс усиливается стандартными методами; благодаря «растянутости» импульса его пиковая энергия уменьшается, а потому установка не разрушается. Наконец, на последнем шаге импульс снова «сжимают» с помощью дифракционных решеток. В итоге мощность чирпированного импульса может достигать 1 015 ватт при продолжительности порядка одной фемтосекунды (10–15 секунд). В настоящее время чирпированное усиление — это основной способ получения сверхмощных лазерных импульсов.

Техника усиления чирпированных импульсов / Nobel Prize

Фемтосекундные лазеры, которые придумали Муру и Стрикленд, сейчас вовсю используются в индустрии; в принципе, их можно свободно купить за разумные деньги. Это не какая-то диковинная вещь, как, например, графен, который до сих пор нельзя приобрести в магазине. Такие лазеры есть практически в любом университете — везде, где люди занимаются оптикой.

Сергей Макаров, заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО

Причина такой популярности проста: с помощью фемтосекундных лазеров можно поставить много важных опытов и исследовать физические процессы с очень высоким разрешением по времени. Например, сфотографироватьAngular momentum–induced delays in solid-state photoemission enhanced by intra-atomic interactions процесс фотоэлектронной эмиссии и проследитьAttosecond correlation dynamics за отрывом электрона от атома водорода, увеличитьAcceleration of a ground-state reaction by selective femtosecond-infrared-laser-pulse excitation скорость химической реакции и «надуть»Optical Forging of Graphene into Three-Dimensional Shapes графеновый лист. В настоящее время «скорострельность» камер, использующих чирпированные импульсы, превышаетSequentially timed all-optical mapping photography (STAMP) триллион кадров в секунду.

Зависимость максимальной мощности лазерных импульсов от времени: крайняя левая точка отвечает первому в истории лазеру, точка CPA — первому лазеру, основанному на усилении чирпированных импульсов / Nobel Prize

Сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Олег Витрик так отзывается о чирпированных импульсах: «Мы применяем их, как правило, для исследования структуры вещества. Если импульс длится долго, то первый фронт импульса запускает какой-то отклик в веществе, а следующие за ним могут этот отклик нивелировать. Чирпированный импульс, напротив, создаёт отклик, наиболее чистый с физической точки зрения. С его помощью мы исследуем различные плазмонные структуры на поверхности вещества. Эти структуры могут работать как антенны, то есть преобразовывать излучение на этих структурах.

Таким образом, мы можем трансформировать, грубо говоря, макромир, порядка длины волны, на гораздо более мелкие масштабы. Например, усилить сигналы фотолюминесценции или сигналы комбинационного рассеивания света, изготовить метаматериалы и супергидрофобные поверхности, провести сверхчувствительный химический анализ и колорировать металл, то есть придать ему цвет не с помощью краски, а с помощью плазмонных эффектов».

Кроме того, фемтосекундные лазеры позволяют нагреватьUltrafast nonthermal heating of water initiated by an X-ray Free-Electron Laser вещество до очень высокой температуры, превышающей температуру на поверхности Солнца. Сергей Макаров рассказывает: «Недавно, лет 7–8 назад, был бум вокруг термоядерного синтеза, который поджигали при помощи фемтосекундных лазеров. Дело в том, что мощность — это количество энергии в единицу времени. Соответственно, если мы сжимаем энергию лазерного пучка в одну фемтосекунду, — в очень короткий промежуток времени, — то мы получаем очень высокую мощность, сравнимую с мощностью всех электростанций мира. Если мы дальше хорошо сфокусируем этот импульс — линзой или объективом, то он позволит нагреть материал до 10 тысяч градусов. Ну, до колоссальных температур. И тогда уже открывается новая физика — и фундаментальная, и линейная. Например, если сфокусировать такие импульсы в вакууме, можно увидеть так называемое кипячение вакуума, то есть рождение электрон-позитронных пар или других элементарных частиц».

«Также высокая мощность ультракоротких импульсов позволяет создаватьTerahertz-driven linear electron acceleration компактные ускорители частиц — например, установка, занимающая 30 квадратных метров, может выдавать частицы с энергией в одну десятую энергии Большого адронного коллайдера», — говорит сотрудник Института теоретической физики имени Ландау Наиль Иногамов.

Наконец, фемтосекундные лазеры широко распространены в медицине — в частности, они используются для сверления зубов или лазерной корректировки зрения. Чем меньше продолжительность лазерного импульса, тем точнее можно ограничить область, в которой высвобождается его энергия — следовательно, с помощью фемтосекундных лазеров можно делать точные разрезы, которые слабо повреждают окружающие ткани.

Читайте также